Je leest:

Zenuwgassen vangen in een kooi

Zenuwgassen vangen in een kooi

Zelfassemblerende kubus mogelijk nieuwe methode voor detectie van chemische wapens

Auteur: | 15 april 2016

Scheikundigen van de Universiteit van Sheffield (VK) hebben een kubusvormige kooi ontwikkeld, waarin zich stoffen nestelen die sterk lijken op zenuwgassen. Volgens de onderzoekers wordt dit misschien een nieuwe techniek om chemische wapens te detecteren.

Symbool voor chemische wapens
Wikimedia Commons

Er bestaat wereldwijd grote behoefte aan bescherming tegen aanvallen met chemische, biologische of nucleaire (CBRN) wapens. Zowel voor gebruik in publieke ruimtes als in conflictsituaties. Dat is niet eenvoudig, want een goede detectietechniek moet snel, gevoelig en specifiek zijn. En als het even kan is de methode ook nog draagbaar, robuust en eenvoudig in gebruik.

De recente geschiedenis laat zien dat de angst voor chemische wapens terecht is. In 1995 werd het zenuwgas sarin gebruikt voor een aanslag in de metro van Tokyo. Datzelfde sarin trof in 2013 de bevolking van Ghouta, een buitenwijk van de Syrische hoofdstad Damascus. Voor de detectie van sarin en andere zenuwgassen heeft een groep Britse scheikundigen een zelfassemblerende, supramoleculaire ‘kooi’ ontwikkeld waarin het zenuwgas wordt opgesloten. De kooi vormt zichzelf uit losse componenten en heeft de vorm van een kubus met op de hoekpunten een metaalion (kobalt of cadmium). Tussen de hoekpunten vormen combinaties van ringvormige koolstof-stikstofverbindingen de ribben en vlakken van de kubus. Voor de liefhebber: het gaat om zogenaamde pyrazolyl-pyridine liganden.

Weergave van de kubusvormige ‘kooi’ met daarin twee DMMP-moleculen (weergegeven in bollen) die als simulant worden gebruikt voor echte organofosfaat-zenuwgassen zoals sarin. In de DMMP-moleculen: rood=zuurstof, paars=fosfor, zwart=koolstof, wit=waterstof. De goudkleurige bollen zijn de metaalionen op de hoekpunten van de kubus, met daartussen de ringvormige liganden die de vlakken en ribben vormen. Van de liganden is alleen het ‘skelet’ weergegeven, zonder zijgroepen. De rode uiteinden zijn zuurstofatomen.
M. Ward/Universiteit van Sheffield (met toestemming)

De kubus is hol en in ieder vlak zit een gat waardoor een molecuul naar binnen kan om zich in de holte te nestelen. Deze holte is hydrofoob (watermijdend), terwijl de gehele kubus in water oplosbaar is doordat aan de buitenkant hydrofiele (waterminnende) groepen zitten. Stoffen die niet graag in een waterige omgeving verkeren, zullen hun toevlucht zoeken tot de watervrije holte.

Zenuwgas lookalikes

Het team onder leiding van Michael Ward, hoogleraar Anorganische Chemie aan de Universiteit van Sheffield, kon niet werken met echte zenuwgassen. Dat mag alleen in enkele gespecialiseerde laboratoria. Daarom gebruikten ze ongevaarlijke moleculen die qua grootte en vorm sterk op de zenuwgassen sarin en soman lijken. Moleculen die je gebruikt in plaats van de echte stoffen heten ook wel simulanten. “Het gebruik van dit soort simulanten zie je vaker en voor dit doel is het niet onzinnig, omdat er geen sprake is van een covalente binding”, reageert Daan Noort, principal scientist bij de onderzoeksgroep CBRN Protection van TNO.

Amerikaanse soldaten in MOPP 4 tenue (Mission Oriented Protective Posture), het hoogste niveau van bescherming tegen chemische wapens. Misschien straks met een sensor van lichtgevende kooien op hun kleding?
Wikimedia Commons

De onderzoekers gebruikten verschillende versies van de kooien en verschillende zenuwgas lookalikes. Bij alle combinaties bleek het principe te werken. De losse componenten vormen hun kubusvormige complex met daarin een of twee ‘gastmoleculen’. Bovendien beschikt een van de kooien over een lichtgevende chemische groep die bij binding van een gastmolecuul in de holte wordt gedoofd. Dat biedt meteen een aanknopingspunt voor detectie van een gebonden zenuwgas, aldus de onderzoekers.

Hoe ziet Michael Ward een praktische toepassing van dit principe voor zich? “We denken aan een dunne laag van de bouwstenen van de kooien, die we bijvoorbeeld op kleding of een ander oppervlak aanbrengen”, laat hij per e-mail weten. “De kooien vormen zichzelf en als er dan zenuwgassen in de omgeving aanwezig zijn, zullen die binden in een kooi en dat geeft een verandering in het lichtsignaal. Nu heb je nog UV-licht nodig om dat waar te nemen, maar in het ideale geval lukt het om een kleurverandering in het zichtbare spectrum te realiseren. Zover is het echter nog lang niet, maar dat het nu is gelukt om de simulanten in een kooi te binden en een optische respons te krijgen, is heel bemoedigend.”

Het zenuwgas sarin. Oranje= fosfor, geelgroen= fluor, rood= zuurstof, zwart= koolstof, wit= waterstof. De fosfor-fluorbinding is zeer reactief en verbreekt gemakkelijk.
Wikimedia Commons

Vals alarm

Maar het blijven dus simulanten, niet de echte gevaarlijke stoffen, die nu zijn getest. In hoeverre zegt dit iets over het gedrag van de zeer reactieve zenuwgassen; zullen die ook braaf de kooi ingaan? En is de kooi daartegen bestand? Ward: “De kooien zijn heel stabiel, ik verwacht daar geen problemen. De echte zenuwgassen zullen wel reageren met het water in de omgeving, maar dat proces is ook relatief langzaam. Ze blijven in je lichaam ten slotte ook lang genoeg intact om het eiwit te bereiken waar ze hun schade veroorzaken. Ik denk dat er tijd genoeg is om het intacte zenuwgas te binden en een optisch signaal af te geven.”

Overigens is de volgende stap de echte test. Ward: “We gaan samen met een Brits gecertificeerd laboratorium de kooien daadwerkelijk testen met zenuwgassen.” Dat is cruciaal, aldus Daan Noort. “Dat het principe werkt moet uiteraard met de echte verbindingen worden aangetoond.” Hij vindt het een mooie aanpak, maar heeft wel twijfels over de praktische waarde. “De specificiteit van dit soort benaderingen is een zorg. In hoeverre kan de kooi onderscheid maken tussen het zenuwgas en andere verbindingen die aanwezig zijn? De militair of first responder die hiermee werkt wordt natuurlijk niet blij wanneer er steeds vals alarm wordt gegeven.”

Bron:

Christopher Taylor, Jerico Piper, Michael Ward, Binding of chemical warfare agent simulants as guests in a coordination cage: contributions to binding and a fluorescence-based response, ChemComm (2016), doi:10.1039/c6cc02021f

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 april 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.